EP1989343A2 - Ätzlösung und verfahren zur strukturierung eines ubm-schichtsystems - Google Patents

Ätzlösung und verfahren zur strukturierung eines ubm-schichtsystems

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Publication number
EP1989343A2
EP1989343A2 EP07703498A EP07703498A EP1989343A2 EP 1989343 A2 EP1989343 A2 EP 1989343A2 EP 07703498 A EP07703498 A EP 07703498A EP 07703498 A EP07703498 A EP 07703498A EP 1989343 A2 EP1989343 A2 EP 1989343A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
etching solution
etching
solution according
acid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07703498A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Dietz
Klaus Kohlmann-Von Platen
Hans-Joachim Quenzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L2924/1904—Component type
    • H01L2924/19043—Component type being a resistor

Definitions

  • UBM bump metallization
  • a UBM layer system represents a specific sequence of different conductive layers in contact with one another and is intended to achieve the best possible and lasting contact between a substrate, for example a wafer, and a contacting material, for example a solder, or the external structure associated therewith , For example, a wire or a second substrate, ensure.
  • a substrate for example a wafer
  • a contacting material for example a solder
  • the external structure associated therewith For example, a wire or a second substrate, ensure.
  • UBM coating systems are becoming increasingly important.
  • a UBM coating system should provide both optimal electrical and mechanical contact.
  • the contact in various applications must allow the dissipation of thermal energy without significantly changing its properties.
  • the materials used in a UBM layer system should usually have good adhesion to the respective substrate, usually aluminum and / or silicon nitride and / or silicon oxide on the one hand and good wettability with respect to the bonding material used a tin-containing solder, on the other hand.
  • the entire layer sequence should have a high conductivity.
  • the aluminum layer makes the connection to the usually highest metal level of the wafer, usually also aluminum.
  • the deposited on the aluminum nickel vanadium serves as a diffusion barrier and prevents metal atoms migrate from the copper layer disposed thereon and the overlying contacting material through the aluminum layer into the substrate and contaminate doped areas or influence.
  • the final copper layer ensures a low contact resistance and a good connection with the bonding material.
  • the metal layers are usually structured individually or two metal layers simultaneously.
  • nitric acid As a standard etching solution for copper, nitric acid is generally used. According to the US 6,130,141 but also iron chloride or mixtures of sulfuric acid and potassium chromate or sulfuric acid and peroxide can be used for the copper etching.
  • a commercially available solution for nickel etching contains thiourea, which is considered to be carcinogenic and thus carries a high risk potential.
  • WO 8904883 discloses.
  • a highly concentrated iron (III) chloride solution is used, but it is not cleanroom compatible and unsuitable for use in semiconductor production.
  • Nickel vanadium layer is known from US20030146191.
  • the nickel vanadium layer is etched electrochemically using sulfuric acid.
  • a concentrated phosphoric acid solution is usually used (Kirt R.
  • the etching solution used consists of phosphoric acid, deionized water, acetic acid and hydrogen peroxide.
  • This solution has the disadvantage that hydrogen peroxide is a highly reactive medium which requires a correspondingly high level of security measures in terms of storage and transport. In addition, it decays
  • Claim 21 gives a method for structuring a layer system according to the preamble of the main claim.
  • the etching solution according to the invention is suitable for etching a layer system comprising at least one layer of aluminum, at least one layer of copper and at least one third layer selected from nickel vanadium, nickel and its alloys, which is arranged between the at least one aluminum layer and the at least one copper layer , having.
  • the etching solution contains or consists of phosphoric acid, nitric acid, deionized water and at least one salt which can release halogen ions, in particular under the conditions of the etching process according to the invention.
  • An advantage of the etching solution according to the invention is that a copper / nickel vanadium / aluminum layer system can be structured in one process step.
  • the reduced number of process steps compared with 2 and 3-step etching processes reduces contamination of the layer system.
  • the etching solution according to the invention furthermore has the advantage that it is possible to dispense with possible contaminating chemical compounds, such as, for example, KOH, sodium compounds or ammonium compounds.
  • the etching solution also contains no highly reactive and carcinogenic media, which reduces the cost of required security measures.
  • the comparatively advantageous is Low material consumption, which ensures a more effective use of the etching process.
  • it should be emphasized as an advantage that the etching solution does not have to be activated even after days of disuse and therefore can be used immediately.
  • the etching solution according to the invention contains as halogen component a halogen ion-releasing salt.
  • a halogen ion-releasing salt is a metal salt whose anions are halogen ions.
  • the cations of the metal salt are particularly preferably selected from the metals contained in the layer system. As a result, it is possible to prevent additional metals, which are not contained in the layer system, from influencing the etching process and the quality of the structured layer system.
  • a particularly suitable metal salt is aluminum chloride.
  • the halogen component or the halogen ion-releasing salt should preferably ensure the release of halogen ions even under acidic conditions having a pH between about 0 and about 3, with the most preferred range being between about pH 1 and about 2.
  • the etching solution contains 30-45 vol% phosphoric acid, 5-10 vol% nitric acid, 45-55 vol% deionized water, and at least 0.1 mol / 1 halogen component.
  • the etching solution contains a complex-forming ligand which is stable at a pH of less than or equal to 3, particularly preferably at a pH of less than or equal to 1, and stable complexes with copper ions under the particular acidic conditions forms.
  • stable complexes are understood to be complexes whose complex formation constant is pK> 5.
  • a suitable complexing agent deposits of metal ions, such as, for example, copper ions, can be reduced.
  • ligands which are at least 3-dentate, preferably 6-8 dentate, and contain amine groups and / or carboxylic acid groups, the amine groups preferably being tertiary amines.
  • the etching solution contains EDTA or another ligand which complexes with copper, their
  • EDTA forms particularly strong complexes with copper and other metal ions.
  • the highest possible proportion of complex-forming ligands is sought, with no precipitation should occur.
  • the maximum concentration complex-forming ligands is therefore limited by the solubility limit and, for example, is less than 3% by volume of the total solution in the case of EDTA.
  • the etching solution may contain organic acids (such as, for example, phenol, acetoacetic ester, acetic acid), preferably carboxylic acids, particularly preferably carboxylic acids having at least two carboxylic acid groups.
  • the carboxylic acid has one or more hydroxyl groups.
  • at least one hydroxy group is vicinal or geminal arranged at least to one of the carboxylic acid groups.
  • these organic acids have the advantage of acting as an inhibitor of inhibiting crystal growth, particularly the growth of copper crystallites.
  • Particularly suitable inhibitors are citric acid and tartaric acid.
  • the maximum concentration is limited by the solubility limit and, for example, for citric acid is below 5% by volume of the total solution.
  • the inventive method for structuring a layer system which comprises at least one layer of aluminum, at least one layer of copper and at least one third layer selected from nickel vanadium, nickel and its alloys, which between the at least one aluminum layer and the At least one copper layer is arranged, comprises the following method steps:
  • etching mask Arranging or forming an etching mask on the surface of the layer system, wherein the etching mask at least partially covers the at least one copper layer etching step, wherein at least 2 layers of the layer system with an etching solution, the phosphoric acid, nitric acid, deionized water and at least one Halogenkomponente- the halogen ions may be etched or contains these components
  • Rinsing step in which the etched layer system is rinsed with water and / or a base Drying of the etched layer system Removal of the etching mask.
  • the UBM layer system to be patterned with the claimed method which is arranged or applied on a substrate, for example a wafer, has at least one layer of nickel vanadium or nickel or its alloys.
  • nickel vanadium is used, wherein the vanadium content is for example about 7%.
  • the introduction of vanadium produces a diamagnetic nickel vanadium alloy from the ferromagnetic nickel, which is particularly true for the process of layer deposition by means of magnetron sputtering Meaning is.
  • the thickness of the copper layer and the aluminum layer is usually also in the nm range or in the micron range.
  • the layer thicknesses are selected so that the mechanical stresses between the layers and the stress gradients in the layers are as small as possible in order to avoid a bending of the wafer or a spalling of layers.
  • the composition of the etching solution and thus the etching rate of the various materials must be adjusted in accordance with the ratio of the individual layer thicknesses.
  • a photoresist layer is usually applied to the surface of the copper layer, which covers the non-etching areas and protects against attack by the etching solution.
  • Other materials may be used for such an "etch mask.”
  • Materials for the etch mask should, in principle, have good adhesion to the copper layer in order to prevent penetration of the etch solution under the etch mask and associated delamination or undercutting of the etch mask.
  • the etch mask should be resistant to the etch solution to cover the covered areas for the entire duration of the etch step prior to attack to protect the etching solution.
  • the lowest possible undercutting is desirable in order to ensure the largest possible contact surface and thus a stable mechanical connection.
  • severe undercutting may result in attack of the layer below the UBM stack, which would increase the electrical resistance of the contact surface and reduce the stability of the mechanical bond of the UBM stack to the substrate.
  • the uncovered areas are structured in a subsequent etching step (etching process), the advantage of the method according to the invention being in particular that all three metal layers (copper, nickel vanadium, aluminum) are removed in one process step and the technological requirements for the etched layer system are met.
  • the etching process is preferably carried out in a commercially available wet etching, wherein up to 25 wafers can be etched simultaneously. With a coverage of the etch of at least 15 wafers per liter of etching solution, more than 300 wafers can be patterned with a wet etching tank filling of 20 liters. This is made possible by the relatively low material consumption of the etching process. Furthermore, the method according to the invention is also suitable for use in spray etching processes.
  • Optimal control of the etching process is favored by the fact that the layer system is in contact with the etching solution for at least 1 minute.
  • the etching rates of the individual metal layers depend inter alia on the temperature.
  • the etching step is carried out at temperatures between about 15 0 C and 8O 0 C, preferably between about 35 0 C and 60 0 C. Under these conditions, copper is only slightly removed in the areas covered by the etching mask, whereby the etching mask is only slightly undercut.
  • the copper layer is in turn undercut by the removal of the nickel vanadium layer. Underetching of the nickel vanadium layer by the aluminum removal does not occur.
  • the nickel vanadium layer is usually not undercut by the aluminum removal.
  • the etch rate of aluminum increases and the etch rate of copper decreases. This leads to variations in the intensity of the undercuts. Therefore, it is necessary that in addition to the mixing ratio of the etching solution and the temperature must be matched to the layer system to be etched.
  • the etching solution the phosphoric acid
  • Nitric acid, deionized water and at least one halogen component - which can liberate halogen ions or consists of these components, use in semiconductor production and / or in the manufacture of devices using semiconductor technology
  • Processes are made, in particular for etching a layer system comprising at least one layer of aluminum, at least one layer of copper and at least one third layer selected from nickel vanadium, nickel and its alloys, the between the at least one aluminum layer and the at least one copper layer is arranged, and particularly preferably represents a UBM stack.
  • FIG. 2 shows the finished structured layer system (2, 3, 1) with a photoresist layer as the etching mask (4).
  • FIG. 3 shows the finished structured layer system (2, 3, 1) after removal of the photoresist layer as an etching mask (4).
  • Fig. 3a shows the aluminum layer ( 1 ) which is excellent under the copper layer (2) and the nickel vanadium layer (3 ) .
  • Fig. 1 is a on a substrate (5) arranged unstructured layer system (2, 3, 1), consisting of an approximately 0.5 micron thick aluminum layer (1), an about 0.5 micron thick nickel vanadium layer (3) and a about 1 micron thick copper layer (2) shown.
  • Passivation layer (6) is used for electrical insulation.
  • An AZ photoresist layer (4) is applied and patterned on the copper layer (2) as an etching mask in order to obtain the not to be etched areas of the layer system (2, 3, 1) to protect against the etching attack.
  • the result of the etching step is shown in FIG. 2.
  • the layer system (2, 3, 1) is removed in the area uncovered by the etching mask (4) and the etching mask (4) is only slightly undercut.
  • the photoresist layer (4) functioning as an etching mask is removed (FIG. 3) ).
  • the quality of the etching process is checked. Particular attention is paid to the aluminum layer (1).
  • the aluminum layer (1) should visibly protrude below the copper layer (2) and the nickel vanadium layer (3) to preclude undercut or erosion of the metal layer below the UBM stack (7).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ätzlösung zum Ätzen eines Schichtsystems, welches mindestens eine Schicht aus Aluminium, mindestens eine Schicht aus Kupfer und mindestens eine dritte Schicht, ausgewählt aus Nickelvanadium, Nickel und dessen Legierungen, die zwischen der mindestens einen Aluminiumschicht und der mindestens einen Kupferschicht angeordnet ist, aufweist, wobei die Lösung Phosphorsäure, Salpetersäure, deionisiertes Wasser und mindestens ein Salz, das Halogenionen freisetzen kann, enthält oder aus diesen Komponenten besteht. Die beanspruchte Ätzlösung ist Basis für ein einstufiges Strukturierungsverfahren eines UBM-Schichtsystems, welches bei der Herstellung von Bauelementen, die mittels halbleitertechnologischer Verfahren gefertigt werden, verwendet wird.

Description

Ätzlösung und Verfahren zur Strukturierung eines UBM-
Schichtsystems
Technisches Gebiet
Um eine Schnittstelle eines Halbleiterchips mit der Außenwelt oder anderen externen Strukturen zu ermöglichen, sind spezielle Kontaktflächen (Under Bump Metallization = UBM) erforderlich. Die Erfindung betrifft eine Ätzlösung und ein Verfahren, mit denen ein derartiges UBM- Schichtsystem auf möglichst einfache Weise strukturiert werden kann.
Stand der Technik
Ein UBM-Schichtsystem stellt eine spezielle Folge verschiedener miteinander in Kontakt stehender leitender Schichten dar und soll einen möglichst guten und dauerhaften Kontakt zwischen einem Substrat, zum Beispiel einem Wafer, und einem Kontaktierungsmaterial , zum Beispiel einem Lot, beziehungsweise der damit in Verbindung stehenden externen Struktur, zum Beispiel einem Draht oder einem zweiten Substrat, gewährleisten. Insbesondere mit Entwicklung der Flip Chip-Technologie gewinnen UBM-Schichtsysteme zunehmend an Bedeutung.
Ein UBM-Schichtsystem soll sowohl einen optimalen elektrischen wie auch mechanischen Kontakt bedingen. Zudem muss der Kontakt bei verschiedenen Anwendungen die Abfuhr von thermischer Energie ermöglichen, ohne seine Eigenschaften signifikant zu ändern. Um diese Bedingungen erfüllen zu können, sollten die in einem UBM-Schichtsystem verwendeten Materialien üblicherweise eine gute Haftung zu der jeweiligen Unterlage, in der Regel Aluminium und/oder Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid einerseits und eine gute Benetzbarkeit in Bezug auf das verwendete Kontaktierungsmaterial, häufig ein zinnhaltiges Lot, andererseits aufweisen. Des Weiteren sollte die gesamte Schichtfolge eine hohe Leitfähigkeit besitzen.
Unter Berücksichtigung dieser Anforderungen hat sich eine Kombination aus Kupfer, Nickelvanadium und Aluminium als besonders geeignet herausgestellt. Dabei stellt die Aluminiumschicht die Verbindung zur in der Regel obersten Metallebene des Wafers, meist ebenfalls Aluminium, her. Die auf dem Aluminium aufgebrachte Nickelvanadiumschicht dient als Diffusionssperre und verhindert, dass aus der darauf angeordneten Kupferschicht sowie dem darüberliegenden Kontaktierungsmaterial Metallatome durch die Aluminiumschicht in das Substrat wandern und dotierte Bereiche kontaminieren beziehungsweise beeinflussen. Die abschließende Kupferschicht gewährleistet einen geringen Kontaktwiderstand und eine gute Verbindung mit dem Kontaktierungsmaterial . Um diese technologischen Ansprüche an ein strukturiertes UBM-Schichtsystem, bestehend aus einer KupferSchicht, einer Nickelvanadiumschicht und einer Aluminiumschicht, erfüllen zu können, werden die Metallschichten üblicherweise einzeln oder zwei Metallschichten gleichzeitig strukturiert.
Als Standardätzlösung für Kupfer wird im allgemeinen Salpetersäure verwendet. Nach der US 6,130,141 können aber auch Eisenchlorid oder Gemische aus Schwefelsäure und Kaliumchromat beziehungsweise Schwefelsäure und Peroxid für die Kupferätzung eingesetzt werden.
Eine handelsübliche Lösung zum Nickelätzen beinhaltet Thioharnstoff, der als krebserregend gilt und damit ein hohes Gefahrenpotential birgt.
Eine weitere Ätzlösung für Nickelvanadium ist in der
WO 8904883 offenbart. Dabei findet eine hochkonzentrierte Eisen(III) -Chloridlösung Anwendung, die aber nicht reinraumkompatibel und für den Einsatz in der Halbleiterproduktion ungeeignet ist.
Eine weitere Ätzmethode zur Strukturierung einer
Nickelvanadiumschicht ist aus US20030146191 bekannt. Dabei wird die Nickelvanadiumschicht unter Einsatz von Schwefelsäure elektrochemisch geätzt.
Für das Ätzen der Aluminiumschicht wird üblicherweise eine konzentrierte Phosphorsäurelösung benutzt (Kirt R.
Williams, Kishan Gupta, Matthew Wasilik, "Etch Rates for Micromachining Processing - Part II", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 12, No. 6, December 2003).
Ein Verfahren, bei dem alle drei Schichten gleichzeitig strukturiert werden, ist in der DE 695 12 991 beschrieben. Die dabei verwendete Ätzlösung besteht aus Phosphorsäure, deionisiertem Wasser, Essigsäure und Wasserstoffperoxid. Diese Lösung hat den Nachteil, dass Wasserstoffperoxid ein stark reaktives Medium ist, das in Bezug auf Lagerung und Transport einen entsprechend hohen Aufwand an Sicherheitsmaßnahmen erfordert. Zudem zerfällt
Wasserstoffperoxid unter atmosphärischen Bedingungen relativ schnell in Wasser und Wasserstoff, was zu einer Veränderung der Konzentration der Ätzlösung führt. Die dadurch bedingte Änderung der Ätzrate beeinflusst die Qualität des UBM-Schichtsystems und erschwert einen kontrollierten Ätzprozess .
Beschreibung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Ätzlösung und ein
Verfahren anzugeben, mit dem sich ein Schichtsystem nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs unter Reinraumbedingungen und unter Berücksichtigung der Prozesse der Halbleitertechnologie in möglichst wenigen Schritten strukturieren lässt und der Prozessschritt des Strukturierens effektiv und kontrollierbar abläuft.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Ätzlösung gemäß Anspruch 1 gelöst. Anspruch 21 gibt ein Verfahren zur Strukturierung eines Schichtsystems nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs an.
Die Unteransprüche lehren vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung; die Ansprüche 38 bis 46 geben vorteilhafte Verwendungen an.
Die erfindungsgemäße Ätzlösung ist geeignet zum Ätzen eines Schichtsystems, welches mindestens eine Schicht aus Aluminium, mindestens eine Schicht aus Kupfer und mindestens eine dritte Schicht, ausgewählt aus Nickelvanadium, Nickel und dessen Legierungen, die zwischen der mindestens einen Aluminiumschicht und der mindestens einen Kupferschicht angeordnet ist, aufweist. Die Ätzlösung enthält oder besteht aus Phosphorsäure, Salpetersäure, deionisiertem Wasser und mindestens einem Salz, das Halogenionen insbesondere unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Ätzverfahrens freisetzen kann.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ätzlösung besteht darin, dass ein Kupfer/Nickelvanadium/Aluminium-Schichtsystem in einem Prozessschritt strukturiert werden kann. Durch die gegenüber 2- und 3-Schrittätzverfahren reduzierte Anzahl an Prozessschritten, wird eine Kontamination des Schichtsystems verringert. Die erfindungsgemäße Ätzlösung hat weiterhin den Vorteil, dass auf mögliche kontaminierende chemische Verbindungen, wie beispielsweise KOH, Natriumverbindungen oder Ammoniumverbindungen, verzichtet werden kann. Die Ätzlösung enthält zudem keine stark reaktiven und krebserregenden Medien, wodurch der Aufwand für erforderliche Sicherheitsmaßnahmen reduziert wird. Vorteilhaft ist des Weiteren der vergleichsweise geringe Stoffverbrauch, wodurch eine effektivere Nutzung des Ätzprozesses gewährleistet wird. Des Weiteren ist als Vorteil hervorzuheben, dass die Ätzlösung auch nach tagelangem Nichtgebrauch nicht aktiviert werden muss und daher unverzüglich einsatzfähig ist.
Die erfindungsgemäße Ätzlösung enthält als Halogenkomponente ein Halogenionen freisetzendes Salz. In Verbindung mit den in der Ätzlösung enthaltenen Säuren und der aufgelagerten Kupferschicht wird dadurch der Angriff auf die Nickelvanadiumschicht ermöglicht. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Halogenionen freisetzenden Salz um ein Metallsalz, dessen Anionen Halogenionen sind. Besonders bevorzugt sind die Kationen des Metallsalzes aus den im Schichtsystem enthaltenen Metallen ausgewählt. Dadurch kann verhindert werden, dass zusätzliche Metalle, die nicht im Schichtsystem enthalten sind, den Ätzprozess und die Qualität des strukturierten Schichtsystems beeinflussen. Ein besonders geeignetes Metallsalz ist Aluminiumchlorid.
Die Halogenkomponente bzw. das Halogenionen freisetzende Salz sollte bevorzugt die Freisetzung von Halogenionen auch unter sauren Bedingungen mit einem pH-Wert zwischen etwa 0 und etwa 3 gewährleisten, wobei der besonders bevorzugte Bereich zwischen einem pH-Wert von etwa 1 und etwa 2 liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Ätzlösung 30-45 Vol% Phosphorsäure, 5-10 Vol% Salpetersäure, 45-55 Vol% deionisiertes Wasser und mindestens 0,1 mol/1 Halogenkomponente. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Ätzlösung einen komplexbildenden Liganden, der bei einem pH-Wert kleiner gleich 3, besonders bevorzugt auch bei einem pH-Wert von kleiner gleich 1, stabil ist und mit Kupfer-Ionen unter den jeweiligen insbesondere sauren Bedingungen stabile Komplexe bildet. Unter stabilen Komplexen werden erfindungsgemäß Komplexe verstanden, deren Komplexbildungskonstante pK>5 ist. Insbesondere beim Strukturieren eines Schichtsystems, das aus Materialien besteht, die galvanische Elemente bilden, besteht die Gefahr, dass es zur Abscheidung und zum Aufwachsen von Metallionen kommt. Bei gleichzeitiger Strukturierung mehrerer Schichten ist das Risiko besonders hoch. Durch einen geeigneten Komplexbildner lassen sich Abscheidungen von Metallionen, wie zum Beispiel Kupfer-Ionen, reduzieren.
Besonders geeignet sind Liganden, die mindestens 3-zähnig, bevorzugt 6-8-zähnig, sind und Amingruppen und/oder Carbonsäuregruppen enthalten, wobei die Amingruppen bevorzugt tertiäre Amine sind.
Als besonders bevorzugten komplexbildenden Liganden enthält die Ätzlösung EDTA oder einen anderen Liganden, der mit Kupfer Komplexe bildet, deren
Komplexbildungskonstante pK>10, bevorzugt pK>16, ist. EDTA bildet besonders starke Komplexe mit Kupfer- und anderen Metallionen.
In der Lösung wird ein möglichst hoher Anteil an komplexbildenden Liganden angestrebt, wobei kein Ausfällen auftreten sollte. Die maximale Konzentration komplexbildender Liganden wird daher durch die Löslichkeitsgrenze beschränkt und liegt zum Beispiel bei EDTA unter 3 Vol% an der Gesamtlösung.
Erfindungsgemäß kann die Ätzlösung organische Säuren (wie beispielsweise Phenol, Acetessigester, Essigsäure) vorzugsweise Carbonsäuren, besonders bevorzugt Carbonsäuren mit mindestens zwei Carbonsäuregruppen, enthalten. In einer besonders geeigneten Ausführung weist die Carbonsäure ein oder mehrere Hydroxy-Gruppen auf. Bevorzugt ist mindestens eine Hydroxy-Gruppen vicinal oder geminal zumindest zu einer der Carbonsäuregruppen angeordnet. Überraschenderweise haben diese organischen Säuren den Vorteil, dass sie als Inhibitor zur Verhinderung des Kristallwachstums, insbesondere des AufWachsens von Kupfer-Kristalliten, fungieren.
Besonders geeignete Inhibitoren sind Zitronensäure und Weinsäure. In der Lösung ist eine möglichst hohe Inhibitorenkonzentration gewünscht, wobei ein Ausfällen ebenfalls vermieden werden sollte. Die maximale Konzentration wird durch die Löslichkeitsgrenze beschränkt und liegt beispielsweise bei Zitronensäure unter 5 Vol% an der Gesamtlösung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Strukturierung eines SchichtSystems, welches mindestens eine Schicht aus Aluminium, mindestens eine Schicht aus Kupfer und mindestens eine dritte Schicht, ausgewählt aus Nickelvanadium, Nickel und dessen Legierungen, die zwischen der mindestens einen Aluminiumschicht und der mindestens einen Kupferschicht angeordnet ist, weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
Bereitstellen eines Substrates, auf dem das Schichtsystem (2,3,1) angeordnet oder aufgebracht ist
• Anordnen oder Herstellen einer Ätzmaske auf der Oberfläche des Schichtsystems, wobei die Ätzmaske zumindest teilweise die mindestens eine Kupferschicht bedeckt • Ätzschritt, bei dem mindestens 2 Schichten des Schichtsystems mit einer Ätzlösung, die Phosphorsäure, Salpetersäure, deionisiertes Wasser und mindestens eine Halogenkomponente- die Halogenionen freisetzen kann- enthält oder aus diesen Komponenten besteht, geätzt werden
Spülschritt, bei dem das geätzte Schichtsystem mit Wasser und/oder einer Base gespült wird Trocknen des geätzten Schichtsystems Entfernen der Ätzmaske.
Das mit dem beanspruchten Verfahren zu strukturierende UBM-Schichtsystem, das auf einem Substrat, zum Beispiel einem Wafer, angeordnet oder aufgebracht ist, weist mindestens eine Schicht aus Nickelvanadium oder Nickel oder dessen Legierungen auf. Bevorzugt wird Nickelvanadium eingesetzt, wobei der Vanadiumanteil beispielsweise etwa 7% beträgt. Durch das Einbringen von Vanadium entsteht aus dem ferromagnetischen Nickel eine diamagnetische Nickelvanadium-Legierung, was inbesondere für den Prozess der Schichtabscheidung mittels Magnetron-Sputtern von Bedeutung ist. Typischerweise wird eine
Nickelvanadiumschicht mit einer Dicke im nm-Bereich oder im μm-Bereich aufgebracht, wobei eine Mindestdicke durch die gewünschten Eigenschaften, der als Diffusionssperre fungierenden Nickelvanadiumschicht, vorgegeben wird. Die Dicke der Kupferschicht und der Aluminiumschicht liegt üblicherweise ebenfalls im nm-Bereich oder im μm-Bereich. Im Regelfall werden die Schichtdicken so gewählt, dass die mechanischen Spannungen zwischen den Schichten und die Spannungsgradienten in den Schichten möglichst gering sind, um eine Durchbiegung des Wafers oder ein Abplatzen von Schichten zu vermeiden.
Um möglichst optimale Ergebnisse erzielen zu können, muss entsprechend dem Verhältnis der einzelnen Schichtdicken die Zusammensetzung der Ätzlösung und damit die Ätzrate der verschiedenen Materialien angepasst werden.
In einem ersten Verfahrensschritt wird üblicherweise eine Photolackschicht auf die Oberfläche der Kupferschicht aufgebracht, die die nicht zu ätzenden Bereiche abdeckt und vor dem Angriff durch die Ätzlösung schützt. Für eine solche „Ätzmaske" können neben verschiedenen Photolacken auch andere Materialien verwendet werden. Materialien für die Ätzmaske sollten prinzipiell eine gute Haftung zur Kupferschicht aufweisen, um ein Eindringen der Ätzlösung unter die Ätzmaske und ein damit verbundenes Ablösen beziehungsweise starkes Unterätzen der Ätzmaske zu verhindern. Des Weiteren sollte die Ätzmaske beständig gegenüber der Ätzlösung sein, um die bedeckten Bereiche während der gesamten Dauer des Ätzschritts vor dem Angriff der Ätzlösung zu schützen. Generell sind möglichst geringe Unterätzungen wünschenswert, um eine möglichst große Kontaktfläche und damit eine stabile mechanische Verbindung zu gewährleisten. Zudem können starke Unterätzungen zu einem Angriff der Schicht unterhalb des UBM-Stacks führen, was den elektrischen Widerstand der Kontaktfläche erhöhen und die Stabilität der mechanischen Verbindung des UBM-Stacks zum Substrat verringern würde.
Die unbedeckten Bereiche werden in einem anschließenden Ätzschritt (Ätzprozess) strukturiert, wobei der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere darin besteht, dass alle drei Metallschichten (Kupfer, Nickelvanadium, Aluminium) in einem Prozessschritt entfernt werden und die technologischen Anforderungen an das geätzte Schichtsystem erfüllt werden.
Der Ätzprozess erfolgt bevorzugt in einem handelsüblichen Nassätzbecken, wobei bis zu 25 Wafer gleichzeitig geätzt werden können. Bei einer Ergiebigkeit der Ätze von mindestens 15 Wafern pro Liter Ätzlösung lassen sich bei einer Nassätzbeckenfüllung von 20 Litern mehr als 300 Wafer strukturieren. Ermöglicht wird dies durch den verhältnismäßig geringen Stoffverbrauch des Ätzprozesses. Des Weiteren eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch für den Einsatz in Sprühätzprozessen.
Eine optimale Kontrolle des Ätzprozesses wird dadurch begünstigt, dass das Schichtsystem mindestens 1 Minute mit der Ätzlösung in Kontakt steht. Die Ätzraten der einzelnen Metallschichten hängen unter anderem von der Temperatur ab. Der Ätzschritt wird bei Temperaturen zwischen etwa 150C und 8O0C, bevorzugt zwischen etwa 350C und 600C, durchgeführt. Unter diesen Bedingungen wird Kupfer in den von der Ätzmaske bedeckten Bereichen nur geringfügig entfernt, wodurch die Ätzmaske nur wenig unterätzt wird. Die KupferSchicht wird wiederum nur gering durch den Abtrag der Nickelvanadiumschicht unterätzt. Eine Unterätzung der Nickelvanadiumschicht durch den Aluminiumabtrag tritt nicht auf. Selbst bei einer Überschreitung der optimalen Ätzdauer von bis zu 10% wird die Nickelvanadiumschicht durch den Aluminiumabtrag üblicherweise nicht unterätzt. Generell gilt, dass mit zunehmender Temperatur die Ätzrate von Aluminium zunimmt und die Ätzrate von Kupfer geringer wird. Dadurch kommt es zu Variationen in der Stärke der Unterätzungen. Daher ist es erforderlich, dass neben dem Mischungsverhältnis der Ätzlösung auch die Temperatur auf das zu ätzende Schichtsystem abgestimmt werden muss.
Bevorzugt findet die Ätzlösung, die Phosphorsäure,
Salpetersäure, deionisiertes Wasser und mindestens eine Halogenkomponente- die Halogenionen freisetzen kannenthält oder aus diesen Komponenten besteht, Verwendung in der Halbleiterproduktion und/oder bei der Herstellung von Bauelementen, die mittels halbleitertechnologischer
Verfahren gefertigt werden, insbesondere zum Ätzen eines Schichtsystems, welches mindestens eine Schicht aus Aluminium, mindestens eine Schicht aus Kupfer und mindestens eine dritte Schicht, ausgewählt aus Nickelvanadium, Nickel und dessen Legierungen, die zwischen der mindestens einen Aluminiumschicht und der mindestens einen Kupferschicht angeordnet ist, aufweist und besonders bevorzugt einen UBM-Stack darstellt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert .
Fig. 1 zeigt ein auf einem Substrat (5) zum Beispiel einem Wafer, angeordnetes Schichtsystem (2, 3, 1) bestehend aus einer Aluminiumschicht ( 1 ) , einer Nickelvanadiumschicht (3) und einer KupferSchicht (2) sowie einer Photolackschicht als Ätzmaske ( 4 ) .
Fig. 2 zeigt das fertig strukturierte Schichtsystem (2, 3, 1 ) mit Photolackschicht als Ätzmaske ( 4 ) .
Fig. 3 zeigt das fertig strukturierte Schichtsystem (2, 3, 1) nach Entfernung der Photolackschicht als Ätzmaske (4).
Fig. 3a zeigt die unter der Kupferschicht (2) und der Nickelvanadiumschicht (3) hervorragende Aluminiumschicht (1).
In Fig. 1 ist ein auf einem Substrat (5) angeordnetes unstrukturiertes Schichtsystem (2, 3, 1) , bestehend aus einer etwa 0,5 μm dicken Aluminiumschicht ( 1 ) , einer etwa 0,5 μm dicken Nickelvanadiumschicht (3) und einer etwa 1 μm dicken Kupferschicht (2), dargestellt. Die zwischen dem Substrat (5) und der untersten Schicht des Schichtsystems, der Aluminiumschicht (1), angeordnete
Passivierungsschicht (6) dient der elektrischen Isolation. Auf der Kupferschicht (2) wird als Ätzmaske eine AZ- Photolackschicht (4) aufgebracht und strukturiert, um die nicht zu ätzenden Bereiche des Schichtsystems (2, 3, 1) vor dem Ätzangriff zu schützen.
Mit einer Ätzlösung aus 37,4 Vol% Phosphorsäure, 7,4 Vol% Salpetersäure, 51,6 Vol% deionisiertem Wasser, 0,36 Vol% Aluminiumchlorid, 0,8 Vol% EDTA und 2,4 Vol% Zitronensäure können gute Resultate erzielt werden. Der Ätzprozess wird bei Temperaturen zwischen 450C und 470C durchgeführt.
Das Ergebnis des Ätzschritts zeigt Fig. 2. Das Schichtsystem (2, 3, 1) wird in dem von der Ätzmaske (4) unbedeckten Bereichen beseitigt und die Ätzmaske (4) wird nur geringfügig unterätzt.
Durch Unterätzung weicht die Kupferschicht (2) um maximal 8μm unter die Ätzmaske (4) zurück. Ein Zurückweichen der Nickelvanadiumschicht (3) gegenüber der Kupferschicht (2) sowie ein Zurückweichen der Aluminiumschicht (1) unter die Nickelvanadiumschicht (3) durch Unterätzung treten üblicherweise nicht auf.
Nachdem das geätzte Schichtsystem (2, 3, 1) etwa 10 min mit Wasser gespült und anschließend etwa 10-12 min in einem in der Halbleiterindustrie üblichen Rinse-Dryer getrocknet wurde, wird die als Ätzmaske fungierende Photolackschicht (4) entfernt (Fig. 3). Bei einer abschließenden Kontrolle wird die Qualität des Ätzprozesses überprüft. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Aluminiumschicht (1) gelegt. Die Aluminiumschicht (1) sollte sichtbar unter der Kupferschicht (2) und der Nickelvanadiumschicht (3) hervorragen, um eine Unterätzung beziehungsweise einen Abtrag der Metallschicht unterhalb des UBM-Stacks (7) auszuschließen. Bezugszeichenliste
1 Aluminiumschicht
2 Kupferschicht
3 Nickelvanadiumschicht
4 Ätzmaske aus Photolack
5 Substrat
6 Passivierungsschicht
7 Metallschicht unterhalb des UBM-Stacks z.B. Chipmetallisierung

Claims

Patentansprüche
1. Ätzlösung zum Ätzen eines Schichtsystems (2, 3, 1), welches mindestens eine Schicht aus Aluminium ( 1 ) , mindestens eine Schicht aus Kupfer (2) und mindestens eine dritte Schicht ( 3 ) , ausgewählt aus
Nickelvanadium, Nickel und dessen Legierungen, die zwischen der mindestens einen Aluminiumschicht ( 1 ) und der mindestens einen Kupferschicht (2) angeordnet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung Phosphorsäure, Salpetersäure, deionisiertes Wasser und mindestens ein Salz, das Halogenionen freisetzen kann, enthält oder aus diesen Komponenten besteht.
2. Ätzlösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenionen freisetzende Salz ein Metallsalz ist und dass die Anionen dieses Metallsalzes Halogenionen sind.
3. Ätzlösung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kationen des Metallsalzes aus den im Schichtsystem enthaltenen Metallen ausgewählt sind.
4. Ätzlösung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallsalz Aluminiumchlorid enthalten ist.
5. Ätzlösung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 30-45 Vol% Phosphorsäure, 5-10 Vol% Salpetersäure, 45-55 Vol% deionisiertes Wasser und mindestens 0,1 mol/1 Halogenkomponente enthalten sind.
6. Ätzlösung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den pH-Wert der Lösung gilt 0<pH<3.
7. Ätzlösung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den pH-Wert der Lösung gilt l≤pH≤2.
8. Ätzlösung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein komplexbildender Ligand enthalten ist, der bei pH≤3 stabil ist und mit Cu- Ionen unter diesen Bedingungen Komplexe bilden kann.
9. Ätzlösung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein komplexbildender Ligand enthalten ist, der bei pH≤l stabil ist und mit Cu- Ionen unter diesen Bedingungen Komplexe bilden kann.
10. Ätzlösung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der komplexbildende Ligand mindestens 3-zähnig ist und Amingruppen und/oder Carbonsäuregruppen enthält .
11. Ätzlösung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Amingruppen tertiäre Amine sind.
12. Ätzlösung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der komplexbildende Ligand EDTA ist.
13. Ätzlösung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als 3 Vol% EDTA enthalten ist.
14. Ätzlösung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine organische Säure enthalten ist.
15. Ätzlösung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Säure eine Carbonsäure ist.
16. Ätzlösung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonsäure mindestens zwei Carbonsäuregruppen aufweist.
17. Ätzlösung nach einem der Ansprüche 14 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonsäure eine oder mehrere
OH-Gruppen aufweist.
18. Ätzlösung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine OH-Gruppe zumindest zu einer der Carbonsäuregruppen vicinal oder geminal steht.
19. Ätzlösung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Säure Zitronensäure und/oder Weinsäure ist.
20. Ätzlösung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als 5 Vol% Zitronensäure enthalten ist.
21. Verfahren zur Strukturierung eines Schichtsystems (2, 3, 1), welches mindestens eine Schicht aus Aluminium ( 1 ) , mindestens eine Schicht aus Kupfer ( 2 ) und mindestens eine dritte Schicht (3), ausgewählt aus Nickelvanadium, Nickel und dessen Legierungen, die zwischen der mindestens einen Aluminiumschicht (1) und der mindestens einen Kupferschicht (2) angeordnet ist, aufweist, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte:
• Bereitstellen eines Substrates mit dem Schichtsystem
(2,3,1) «Anordnen oder Herstellen einer Ätzmaske (4) auf der Oberfläche des Schicht^ystems (2, 3, 1), wobei die Ätzmaske (4) zumindest teilweise die mindestens eine Kupferschicht ( 2 ) bedeckt
•Ätzschritt, bei dem mindestens 2 Schichten des Schichtsystems (2, 3, 1) mit einer Ätzlösung, die Phosphorsäure, Salpetersäure, deionisiertes Wasser und mindestens eine Halogenkomponente- die Halogenionen freisetzen kann- enthält oder aus diesen Komponenten besteht, geätzt werden • Spülschritt, bei dem das geätzte Schichtsystem
(2, 3, 1) mit Wasser und/oder einer Base gespült wird
•Trocknen des Schichtsystems (2, 3, 1)
•Entfernen der Ätzmaske (4).
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ätzlösung gemäß den Ansprüchen 1 bis 20 eingesetzt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ätzlösung ein komplexbildender Ligand enthalten ist, der bei pH≤3 stabil ist und mit Cu- Ionen unter diesen Bedingungen Komplexe bilden kann.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der komplexbildende Ligand EDTA ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 23 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ätzlösung eine organische Säure enthalten ist.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Säure Zitronensäure und/oder
Weinsäure ist.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ätzschritt mindestens die Kupferschicht ( 2 ) , die Aluminiumschicht ( 1 ) und die mindestens dritte Schicht (3) geätzt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Ätzmaske (4) eine Photolackschicht Verwendung findet .
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem
Nassätzbecken durchgeführt wird und im Nassätzbecken bis zu 25 Wafer gleichzeitig strukturiert werden.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 15 Wafer pro Liter Nassätzbeckenfüllung strukturiert werden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (2, 3, 1) mindestens 1 Minute mit der Ätzlösung in Kontakt steht .
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzschritt bei einer Temperatur zwischen etwa 150C und 800C erfolgt.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzschritt bei einer
Temperatur zwischen 350C und 600C erfolgt.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzschritt bei einer Temperatur zwischen 450C und 470C erfolgt.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzschritt so durchgeführt wird, dass durch Unterätzung ein Zurückweichen der Kupferschicht (2) unter die Ätzmaske (4) von 8μm oder weniger erfolgt.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzschritt so durchgeführt wird, dass durch Unterätzung die mindestens dritte Schicht (3) nicht unter die Kupferschicht (2) zurückweicht .
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzschritt so durchgeführt wird, dass durch Unterätzung die Aluminiumschicht (1) nicht unter die mindestens dritte Schicht (3) zurückweicht .
38. Verwendung einer Ätzlösung, die Phosphorsäure,
Salpetersäure, deionisiertes Wasser und mindestens eine Halogenkomponente- die Halogenionen freisetzen kann- enthält oder aus diesen Komponenten besteht, zum Ätzen eines Schichtsystems ( 2 , 3 , 1 ) , welches mindestens eine Schicht aus Aluminium ( 1 ) , mindestens eine Schicht aus Kupfer (2) und mindestens eine dritte Schicht ( 3 ) , ausgewählt aus Nickelvanadium, Nickel und dessen Legierungen, die zwischen der mindestens einen Aluminiumschicht ( 1 ) und der mindestens einen Kupferschicht (2) angeordnet ist, aufweist.
39. Verwendung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ätzlösung gemäß den Ansprüchen 1 bis 20 eingesetzt wird.
40. Verwendung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ätzlösung ein komplexbildender Ligand enthalten ist, der bei pH<3 stabil ist und mit Cu- Ionen unter diesen Bedingungen Komplexe bilden kann.
41. Verwendung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass der komplexbildende Ligand EDTA ist.
42. Verwendung nach einem der Ansprüche 38 oder 40 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ätzlösung eine organische Säure enthalten ist.
43. Verwendung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Säure Zitronensäure und/oder Weinsäure ist.
44. Verwendung der Ätzlösung nach einem der Ansprüche 38
bis 43 zum Ätzen eines UBM-Stacks.
45. Verwendung der Ätzlösung nach einem der Ansprüche 38
bis 44 zum Ätzen in der Halbleiterproduktion.
46. Verwendung der Ätzlösung nach einem der Ansprüche 38
bis 44 bei der Herstellung von Bauelementen, die
mittels halbleitertechnologischer Verfahren gefertigt
werden.
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